¿Por qué un diodo Zener en una configuración de palanca baja el voltaje de entrada?

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Estoy tratando de conectar un diodo Zener para agregar alguna medida de protección ("palanca" fusionada) a un circuito que incluye un sensor de oxígeno alimentado por bucle con salida leída por un ADC / Entrada analógica de GHI Cobra. La idea es que si hubiera un corto en el sensor que causara 12V en su salida, el Zener con un desglose de 4.7 V entre la salida del sensor (y la entrada del ADC) y tierra mantendría la corriente de 12V lejos del ADC el tiempo suficiente para fusible para fundir ya que el límite en el pin Cobra es 5V.

Sin embargo, descubro que cuando coloco el diodo Zener, el ADC (voltaje del medidor de voltios en este momento) baja el voltaje que está leyendo, por ejemplo, de 4.38 voltios a 3.98 voltios. Cuando reemplazo el Zener con un diodo normal solo para probar, el voltaje no cae. ¿Lo que da? ¿Se puede usar un Zener para una "palanca" para que no cambie el voltaje en el lado de salida del sensor? El Zener se instala con el anillo hacia el lado del ADC. La tienda de electrónica dijo que tiene una falla de 4.7V, pero no estoy seguro de cómo probar eso.

zener

— Mate
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Los diodos regulares generalmente no muestran una descomposición Zener tan buena como los diodos Zener (es por eso que tienen diodos Zener especiales), por lo que es normal que un diodo regular no haga nada. Los diodos Zener pueden perder una pequeña cantidad de corriente y de ese modo afectar la medición. ¿Qué tipo de equipo de prueba tiene disponible? ¿Se puede obtener un diodo de supresión de voltaje transitorio (diodo TVS)? Deben tener una corriente de fuga más baja que un diodo Zener.

— AndrejaKo

Es un poco difícil obtener un diodo TVS en este momento (en una isla pequeña). La caída de voltaje es del 10%, parece alta por fugas. No hay fugas medibles con el diodo regular.

— Matt

Eso no es una palanca, es una abrazadera. Una palanca corta la entrada en condiciones de sobretensión; una abrazadera simplemente lo limita al voltaje especificado.

— marcelm

Respuestas:

El voltaje inverso de un diodo zener no muestra una rodilla aguda con una corriente creciente, por lo que el zener conducirá varios miliamperios a voltajes muy por debajo de su voltaje nominal. No es necesario un fusible en este caso, suponiendo que la impedancia de entrada de su microcontrolador sea alta. Por cierto, ¿qué es una "GHI Cobra"?

Sugiero reemplazar el fusible con una resistencia de 4.7k y usar un zener de 5.1V o 5.6V. Sería mejor si pudiera reducir el rango de funcionamiento normal de la entrada ADC para que el voltaje máximo esperado sea de alrededor de 4V ... quizás cambiando la resistencia de 250 ohmios a 200 ohmios. Entonces la rodilla suave del zener no afectará sus medidas y le está dando al zener un poco de espacio para comenzar a conducir.

— Joe Hass
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GHI Cobra es un microcontrolador (piense en Arduino) solo con un reloj más rápido y 10 veces la RAM. Los controladores GHI y Netduino están basados en .NET y usan MS Visual Studio para desarrollar. Una pequeña lista en su sitio: goo.gl/xDU7m5

— Chris K

Si el Zener pierde "varios miliamperios", entonces sí, ese sería el problema. Me sorprende que haya tanta fuga. No entiendo reemplazar el fusible con una resistencia de 4.7k. Si me quedo con el diagrama, entonces el ADC no estaría leyendo el voltaje correctamente, ¿correcto?

— Matt

En realidad, probablemente usaría una resistencia de 165 ohmios para bajar el voltaje máximo a 3.3V, el límite en el ADC de Cobra (Cobra II, en realidad). Eso sería seguro a pesar de que planeo mantener la concentración de oxígeno a la que el sensor estaría expuesto por debajo del 5%, por lo que el sensor emitiría una corriente baja incluso con una resistencia grande.

— Matt

Entonces, si la fuga es causada por una rodilla no afilada en el voltaje de ruptura, entonces la fuga puede ser insignificante cuando la salida del sensor es baja, que es donde operará en mi caso. Por ejemplo, si la concentración de oxígeno se mantiene por debajo del 5%, la salida del sensor será (aproximadamente) inferior a 7 mA. Hmm Pondrá a prueba el grado de precisión con y sin zener a tal concentración / salida del sensor.

— Matt

Con respecto al fusible: el zener que especificó es un dispositivo de 1W, por lo que su corriente máxima es de aproximadamente 200 mA. Es difícil encontrar un fusible económico y muy rápido que se queme en este nivel actual. El escenario más probable es que el zener será destruido y la entrada de ADC sometida a la salida completa de 12V de su sensor. Usar una resistencia (digamos 4.7k) limita la corriente que pasará a través del zener para que no la destruyas. Sí, el objetivo es que la operación normal sea a un voltaje donde la fuga de Zener sea insignificante.

— Joe Hass

Aunque parece que no hay sobretensión en el pin ADC de acuerdo con la ley de Ohm, pero, ¿qué caso debemos evitar?

El diodo TVS es una buena opción. cada tipo de MCU tiene un voltaje de suministro máximo, el mejor voltaje activo es menor que el voltaje máximo y mayor que el voltaje de trabajo. pero si consideramos la polaridad de la sobretensión, dos series de diodos TVS en la dirección opuesta.

Hay otro método para hacer esto, puede usar dos diodos para proteger el puerto ADC, por ejemplo 1N4148.Un diodo se conecta entre el pin VCC y el pin ADC, otro conecta el pin ADC y GND. Es mejor usar una resistencia conectada entre el pin ADC y la unión de los dos diodos. de hecho, este es un método común para proteger el puerto dentro de MCU, es una mejora de extensibilidad.

Si es aceptable, usar el aislamiento del optoacoplador es la mejor opción. Pero es muy complejo.

— DreamCat
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Gracias DreamCat. En realidad, usar un diodo regular entre VCC y la salida del sensor es mi esquema de protección predeterminado, estaba tratando de entender cómo podría usar un diodo zener y si hay alguna ventaja. No había pensado en intentar proteger para una polaridad inversa. No entiendo lo que quiere decir con "es mejor usar una conexión de resistencia entre el pin ADC y la unión de los dos diodos". Un diodo TVS (nuevo para mí) suena ideal.

— Matt